Баскаков С.И. Основы электродинамики (1973) (944136), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Первая из них характерна тем, что она .перерезает линии поверхностного тока под углом 90'. Ток, подтекающий к верхней кромке разреза, вызовет здесь избыток положительных зарядов (рассматривается электротехническое направление тока). Очевидно, что яа нижней кромке будет наведен равный по величие отрицательный заряд. Во времени эти заряды будут изменятьсн в такт с колебаниями генератора. Характеристики щелей с колеблющимися зарядами будут обсуждены в конце данного курса Здесь достаточно упоминания о том, что подобная щель ведет себя как излучатель электромагнитных волн. 8ч 115 Совсем по-другому ведет себя щель,,прорезанная параллель!!о линиям тока.
Из-за узости такой щели количество наведенных царядов будет весьма невелико, так что излучение из щели будет ке значительным. Итак, может быть сформулирован общий принцип: щель в стенке волновода излучает в том случае, если она перерезает линии тока.
,Излучающие щели находят широкое применение при создании так называемых щелевых волноводных антенн в диапазоне сантимет- Рис. 6.9. Принципиальная схема волноводвой измерительной линии: 1 — воввовод, рвботвющва вв волке твое Ь!в; 3 — продольная щель; 3 — зонд, 4 — оолупровадввковыа двод; 5 — взмервтельвыя прибор. ровых волн. В ряде.случаев возникает потребность в неизлучающнх щелях, позволяющих вводить внутрь волновопа различные измерительные устройства без искажении структуры поля. В качестве примера на рис. 6.9 показана схема волноводкой щелевой измерительной линии — одного из важнейших измерительных приборов СВЧ.
Здесь подвижный заид, т. е. миниатюрная антенна, соединеннын с детектором, перемещается вдоль узкой щели, прорезанной в осевом направлении точно посередине широкой стенки волновода. Выбор подобного расположения щели обеспечивает отсутствле излучения из волновода.
Измеряя ток детектора в различных точках по оси волновода, можно изучать картину стоячей волны и находить параметры нагрузок, подключаемых к волноводу. 6.6. Основы применения прямоугольных волноводов Различные волноводы используются в диапазоне длин волн приблизительно от 60 см до ! мм, Если говорить о наиболее характерном использовании волноводов в качестве линий передачи, то на волнах дециметрового диапазона волноводы применяются лишь в мощных устройствах, а начиная с длины волны приблизительно 6 ем в повсеместно. Столь широкое применение полых металических волноводов обусловлво рядом их достоинств: высокой технологичностью волноводных конструкций, весьма малым затуханием, возможностью передачи огромных импульсных мощностей.
!16 Чаще нсего волноводные тракты строятся на основе прямоугольных металлических волноводов, по которым распространяется низший тип колебаний Ны. Причины этого состоят в следующем: 1) в воэможности достигкения наизгеньших поперечных габаритов, 2) в устойчивости структуры поля в нолнояоде при введении неоднородностей Если первая из перечисленных здесь причин не требует пояснений, то на второй из иих стоит остановиться особо Совершенно очевидно, что реальный взлноводный тракт не может представлять собой идеально регулярный волновод. Регулярность практических конструкций всегда нарушается неизбежным наличием ЮУ " Диар)хчгллгх Рис.
6.!О. Картина электрического поля вблизи диафрагмы, помешея- ной внутри волнавода. оконечных устройств, изгибов оси, регулировочных элементов и т. д. Необходимо, чтаоы все эти неоднородности по возможности меныпе сказывались иа качестве работы волповодного тракта во всем диапазоне рабочих частот Лля примера рассмотрим прямоугольный волновод с волной Нш, часть сечения которого перекрыта металлической диафрагмой, обеспечивающей согласование с какой-лнба оконечной нагрузкой (рис.
6.10). Из рисунка видно, что одно лишь падающее поле не может удовлетворять граничным условиям на диафрагме. Поэтому здесь наряду с отраженной волной возникнет бесконечная последн. вательность воли высших типов, вообще говоря, как Е-, так и Н-типов; амплитуды и фазы этих воли автоматически установятся таким образом, чтобы требуемые граничные условия были удовлетворены. Здесь могут быть два случая. 1. Сечение волновода достаточно велико для того, чтобы часть этих высших волн оказалась распространяющимися. Подобные волноводы будем называть многоволновыми.
При этом поле справа от диафрагмы (генератор слева) будет представляться суммой полей этих волн и прошедшей части основной волны Ны, Естественно, что зто суммарное поле может весьма значительно отличаться от исходного поля падающей волны. 2. Поперечные размеры волновода выбраны таким образом, что все типы колебаний, кроме основного, являются затухающими. Такой волновод принято называть одноволновыи, В одцоволновом волноводе энергия колебаний высших типов будет сконцентрарована лишь в непосредственной близости от диафрагмы.
На расстояниях порядка одной длины волны справа от препятствия структура поля окажется практически такой же, как и в падающей волне. На практике в подавляющем большинстве случаев используются прямоугольные волноводы в одноволновом режиме. Одной из глав- 117 нык причин такого ионользования является то, что эффективность работы оконечных устройств, служащих для вывода энергии из волновода, полностью определяется структурой поля в месте их помещения. В качестве примера рассмотрим упрощенный вариант часто применяемого оконечного устройства — волноводно-коаксиального перехода, сочленяющего прямоугольный волновод с коаксиальным лги альный Рис.
6.11. Принципиальная схелга волноводно-коаксиальиого перс. хода. Рис. 6.!2. Электрическое поле в волноводно-коаксиальном переходе на волне типа Нзь кабелем (рис 6.11). Здесь внутренний проводник коаксиальиого кабеля проходит внутрь волновода через отверстие в центре широкой стенки, образуя миниатюрную штыревую антенну. Расстояние между штырем и короткозамыкающей стенкой выбирается равным Х,Н, Из эпюр распределения напряженности электрического а поля, показанных на рис.
681, видно, что штырь находится в |пучиостях стоя. чих волн по обеим осям. Именно вто н !Е! обеспечивает эффективный отбор мощности нз волновода. Если теперь допустить, что по волноводу наряду с основной волной распространяется одна из волн высших типов, например Ны, то, как это следует из рис. 6.12, мощность, ~переносимая волной высшего типа, не будет поступать в коакоиальный кабель, ибо штырь окажется в минимуме электрического поля для волны Н, . Описанное положение усугубляется еще и тем, что волны различных типов распространяются по волноводу с различными фазовыми скоростями, соотношения между которыми завксят от частоты. Из-за этого интерференция между различными типами колебаний носит различный характер иа разных частотах.
Это ведет к тому, что частотная зависимость ~коэффициента передачи многоволнового волновода может быть весьма нерегулярной. На рпс. 6.13 показаны возможные частотные характеристики одноволнового и многоволнового волноводов. Итак, встает задача выбора геометрических размеров сечения волновода, которые обеспечивали бы одноволновый режим работы 118 в заданном частотном диапазоне. Прн выборе геометрических размеров волновода следует исходить нз того, что для волн как В- так и Н-типов критическая длина волны находится по одной н той же формуле: 2 Рг(т/а)к+ (п/Ь)к причем Л,р тем меньше, чем больше индексы волны т, и.
душ) Лбыд(м) Рис. 6.13. Возможные формы частотных' характеристик четырех- полюсника, образованного отрезком волноводз: à — однононнанн~а ноднонод; 3 — многонолноныа ноднозод. Рассмотрим совокупность типов волн с наибольшими значениями Л,Р. Непосредственное вычисление дает: (Лкв)Н„=- 2а, (Лкв)ны = 2Ь 2 ( кР)Нкк ' ( кР)Н ( кР)Е р'()у )к ) (1уЬ)к Для простоты будем полагать, что Ь=а)2, что обычно достаточно хорошо выполняется на практике. Отсюда будем иметь (Л„р)н —— 2а, (Л„р)ьг — — а, (Лкр)н„= а, (Лкр)н„= (Лкр)п —— 2аг'у'6 Послсдний результат позволяет построить так называемую диаграмму типов колебаний прямоугольного волповода, изображенную на рис.
6.!4, Принцип построения такой диаграммы весьма прост: на оси длин волн вертикальными штрвхамн обозначаются критические длины волн различных типов колебаний в порядке их убывания. На диаграмме типов колебаний можно выделить три характерные области: 1) область отсечки (Лз>2а), в которой распространяющихся ти- ррв колебаний не существует вообще; 2) область одноволновости (а<)ю<2а), в пределах которой возможно распространение лишь основного типа колебаний Нюю, 3) область многоволновости (на<а), в которой помимо основной волны по волноводу принципиально могут распространяться ко- Егг йбг "и йгб ньб 'а а Рнс.
6.14. Лиаграмма типов колебаний в прямоугольном волноводе при 5(а=1(2. лебания высших типов. Например, если рабочая длина волны лежит в интервале между а н 2а()зб, то в волноводе могут одновременно существовать три распространяющихся типа колебаний — Нюю, Нзю и Нюь Если длина волны становится меньше, чем 2а(у'5, то к ним добавляются еще колебания типов Нн и Ен и т, д.
Разумеется, что в области многоволновости расположено бесконечное множество высших типов, не показанных на рис 6.!4. ~ну Рис. 6.15. Возможность селектнвного возбуждения различных типов волн в волноводе: а — вюзбуждюнне вюлны тина Ни; б — возбуждение волны типа Нюв Подчеркнем здесь одно очень важное обстоятельство. Сам факт многоволновости хакого-либо волновода еще не означает, что по нему действительно распространяются все возможные типы колебаний. Можно такям образом возбудить волновод, что в нем будет существовать только один, причем не обязательно низший, тип колебаний.
Пусть, например, )ю(а, так что по волноводу могут распространяться волны типов Нюю и Ню На рис. 6.15 показаны два.способа возбуждения такого волновода с помощью штыря. Из рисунка видно, что прн первом способе возбуждения штырь оказывается параллельным вектору Е для волны Нюю и перпендикулярным к вектору Е для волны Нюю В соответствии с принципом, речь о котором 20 шла ранее, при таком способе возбуждения в данном много- волновом волноводе будет создан лишь тип,колебаний Нюю, в то время как амплитуда колебаний типа Нп будет равна нулю тождественно, При втором способе нозбуждения ситуация станет диаметрально противоположной: возбужден будет лишь тип колебаний Нюь Однако несмотря на ~принципиальную возможность селективного возбуждения низшего типа колебаний в многоволновом волноводе, практическое использование таких систем оказывается нецелесообразным ввиду неизбежного возбуждения волн высших типов на нерегулярностях передающих линий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
